기술 동향
방전가공 기술의 현재와 미래 전망

방전가공은 비접촉으로 고정도 가공을 실현할 수 있고 난가공재나 신소재 미세 가공이 가능하기
때문에 제조에 필수적인 가공법으로서 인지도를 높여가고 있다. 특히 절삭·연삭 등의 가공으로는
실현할 수 없는 방전가공만의 특성을 활용한 용도로 적용이 더욱 확대되고 있다.

정리 / 김정아 기자 (prmoed@chomdan.co.kr)

 

방전가공기는 주된 공작기계는 아니지만, 도전성만 있으 면 경도에 의존하지 않고 또한 공구를 회전하지 않고 자유도 가 큰 가공이 가능하며 가공 정도가 양호하기 때문에 공작기 계 가운데서 확고한 위치를 차지하고 있다.

특수 가공의 하나로 분류되는 방전가공이지만, 이제는 더 이상 특수한 가공법이 아니다. 하이 파워 트랜지스터의 발달 에 의해 펄스의 최적 제어를 실현할 수 있어 저소모 가공이 가능해졌으며, 와이어 방전가공기의 등장, CNC 기술의 발 전, 리니어 모터 구동의 채용 등으로 최근에는 기본적인 가 공 성능에 관해서는 성숙기에 들어갔다고 볼 수 있다. 또한 끊임없는 개발 노력에 의해 기술이 계속 진보하고 있으며, 여러 방면에 적용되어 그 활용 범위가 확대되고 있다.

 

현재의 방전가공 기술

방전가공은 많은 파라미터가 있어 방전가공 특성이 어떻 게 결정되는가 이해하는 것은 어렵다. 그러나 기본적으로는 다음과 같이 생각하면 편리하다.

우선 방전가공에는 기본적인 세가지 가공특성, 즉 가공 속 도, 표면 조도, 공구 전극 소모율이 있다. 공구 전극 소모율 은 공작물 제거 체적에 대한 공구 전극의 소모 체적의 비율 로 정의되며, 가공 정도에 직접 영향을 미치는 특성값이다. 세가지 특성 중에서 임의의 두가지 특성을 만족시키는 방전 전류 파형은 있으나, 아쉽게도 세가지 모든 가공특성을 만족 시키는 전류 파형은 존재하지 않는다. 예를 들면 방전 전류, 펄스폭 모두에 큰 펄스를 이용하면, 가공 속도를 빠르게 할 수 있다. 또한 펄스폭이 긴 경우에는 가공유 중의 카본이 양 극인 공구 전극 표면 상에 부착하여 공구 전극을 소모로부터 보호하므로 소모율이 낮게 억제된다. 그러나 펄스당 방전 흔 적이 크기 때문에 표면 조도는 좋지 않다. 따라서 거친가공 조건으로서 이용된다.

한편 펄스폭은 길게 유지하고 방전 전류를 작게 하면, 역 시 카본은 부착하므로 소모를 낮게 억제할 수 있다. 더욱이 표면 조도도 좋아진다.

그러나 아크 기둥의 전류 밀도가 낮으므로 동일한 펄스의 에너지로 비교하면, 피크 전류가 높고 펄스폭이 짧은 경우에 비해 에너지 효율이 나쁘다. 즉, 열전도로 인해 공작물 내로 도망쳐 버리는 에너지가 많고 펄스당 제거량이 적다. 더구나 펄스폭이 길면 단위 시간당 방전 횟수를 늘릴 수 없다. 따라 서 다듬질가공에 적합하다. 마지막으로 펄스폭을 짧게 하고 방전 전류를 크게 하면, 펄스당 방전 흔적은 작고 표면 조도 는 양호하다. 펄스당 제거량이 작다고 해도 동일한 에너지라 면 펄스폭이 길고 방전 전류가 작은 펄스보다 제거량은 크 다. 더구나 단위 시간당 방전 횟수를 늘릴 수 있으므로 가공 속도가 빠르다.

그러나 펄스폭이 짧기 때문에 카본의 보호 작용이 없어 소 모율이 커진다. 따라서 공구 전극의 소모가 문제되지 않는 와이어 방전가공에서는 형조 방전가공에 비해 극단적으로 펄스폭이 짧은 파형을 이용한다.

다음은 극성에 관해서 원래는 양극에 대한 에너지 배분 쪽 이 음극에 대한 배분보다 크지만, 유성 가공액을 이용한 형 조 방전가공에서는 펄스폭의 설정이 짧은 경우를 제외하고 공구 전극을 양극으로서 가공한다. 그 이유는 카본이 양극을 소모로부터 보호하기 때문이다. 그리고 카본의 부착이 펄스 폭이 길수록 많는 것은 펄스폭이 긴 조건 하에서는 공구 전극을 양극으로 하여 가공하는 이유이다. 반대로 펄스폭이 짧 은 다듬질가공이나 마이크로 가공 혹은 가공액이 물이므로 카본의 부착이 있을 수 없는 와이어 방전가공의 경우에는 에 너지 배분대로 공구 전극을 음극으로 하여 가공한다.

마지막으로 펄스의 휴지 시간에 관해서는 방전이 펄스마 다 다른 장소에서 생기기 때문에 휴지 시간을 충분히 길게 잡을 필요가 있다. 그러나 짧은 쪽이 가공 속도에 있어 유리 하므로 방전점의 집중이 생기기 않은 필요 최소한으로 설정 된다.

제어 방법은 각사마다 다르지만, 기본적으로는 앞에서 말 한 지식에 기초하여 최적의 가공 조건이 선정되면, 첨단 제 어 기술을 이용하여 적응 제어가 이루어지고 있는 것이 현재 의 방전가공기이다.

 

방전가공의 최근 동향

앞에서 말한 장점과 가공 속도가 느리다는 단점 때문에 금형가공이 주된 방전가공의 용도가 계속될 것임은 틀림없 다. 절삭 기술의 발달에 의해 절삭에 의한 직조가 형조 방전 가공의 영역을 침범하고 있는 것은 사실이다. 그러나 정밀한 가공 정도가 필요한 리드 프레임이나 모터 코어의 블랭킹 다 이스는 와이어 방전가공에 의한 일체가공이 효과적이다.

또한 미세 기어나 미세 커넥터의 사출성형 금형의 가공에 는 와이어 방전가공과 형조 방전가공의 양쪽이 활약하고 있 다. 초경합금으로 만들어진 단조형이나 리브 홈가공이 많은 다이캐스트 금형의 가공 현장에서는 아직 방전가공기가 공 작기계의 반을 점하고 있다. 리브 홈가공의 경우 절삭가공과 방전가공의 사용에 관해서 검토한 결과, 깊이/직경비가 20 이상에서는 가공 시간, 코스트, 가공 정도 등을 종합적으로 평가하여 방전가공의 사용이 더 효과적이라는 보고도 있다.

그러나 생산거점의 해외 이전이 추진되어 금형의 조달이 해외로 옮겨지면서 고부가가치 부품가공에 대한 응용을 추 진할 필요가 생겼다. 유럽과 미국에서는 항공우주산업이 활 발한데, 예를 들면 제트 엔진의 터빈 블레이드 제작 코스트 에서 점하는 특수가공의 비율은 30%이며 날개면 냉각용 미 세 구멍가공이나 터빈 로터 디스크의 트리 모양의 슬롯 가공 에는 방전가공이 널리 사용되고 있다. 앞으로 항공기산업으 로 응용이 확대될 것으로 기대된다. 자동차 디젤 엔진의 연 료 분사 노즐에 관통 구멍가공하는 것도 방전가공이 효과적 이다.

금속 재료의 마이크로 가공에도 코스트나 형상의 자유도 등의 점에서 방전가공이 가장 효과적인 방법의 하나로서 사 용되고 있다.

 

방전가공 기술의 미래 전망

방전가공은 좁은 갭에서 초간에 수만회 이상의 방전이 생 기고, 더구나 액체 중의 방전으로 재료의 제거를 동반하므로 관찰도 해석도 용이하지 않다. 따라서 미해명 현상이 많고 정설과 같이 생각되고 있어도 잘못 이해하고 있는 부분이 많 다. 예를 들면 가공 간극은 가공액으로 가득차 있으며 작은 기포가 떠있는 것처럼 그려지고 있지만, 실제로는 1회의 방 전으로 생기는 기포 직경은 갭 길이의 수십배로 가공 간극의 대부분은 기포로 가득차 있다. 따라서 가공액의 증발, 분해 에 동반하는 가스의 팽창이 제거의 메커니즘에 없어서는 안 된다고 생각되고 있었지만 반드시 그렇지는 않다. 이것을 이 해함으로써 기체 중에서도 방전가공을 할 수 있다는 것이 보 여졌다.

또한 방전가공은 열가공으로서 분류되고 있는데, 실제로 는 고온 하에서 격렬한 화학반응이 동시에 진행되고 있다. 이것을 이해한다면 가공액이 분해되어 생성한 카본이 공구 전극에 부착하여 공구 전극을 소모로부터 보호하는 역할을 하는 현상을 이해할 수 있고, 이것을 적극적으로 이용한 극 저소모 가공도 가능해진다. 또한 동일한 열분해 카본이 공작 물 표면에 퇴적하고, 그것이 도전성을 부여하면 절연체의 방 전가공이 가능해진다.

더구나 아크 기둥을 잘 관찰하면 갭 길이가 커질수록 아 크 기둥 직경이 증대하므로 분말 혼입에 의해 갭 길이가 증 대하고 방전점에서의 전류 밀도가 저하하므로 방전 흔적이 작아지면서 표면 조도가 향상된다는 것을 이해할 수 있다. 이와 같이 기초연구를 확실하게 하여 방전가공 현상을 정확 하게 이해하는 것이 새로운 이노베이션을 낳기 위한 원동력 이라고 생각한다.

방전가공기의 초창기에 비해 오늘날의 방전가공 연구 개 발은 기초 연구에 바탕을 둔 경우가 적다. 더구나 방전가공 기 메이커의 조건 데이터 표에는 방전 전류값이 기재되어 있 지 않다. 이와 같이 방전가공기가 블랙박스화되는 것은 가공 노하우에 관계되므로 어쩔 수 없지만, 유저의 가공 기술력은 확실히 떨어지게 된다. 메이커가 준비한 조건표를 따르면 최 적의 가공을 할 수 있을지 모르지만, 유저에게는 가공 노하 우가 축적되지 않고 메이커에 대한 의존성이 생길 것이다. 이것은 방전가공 기술의 미래에 있어 바람직하지는 않다.

메이커도 방전가공 현상을 완전히 이해하고 있다고는 할 수 없으므로 새롭게 가공기를 개발할 때마나 몇 개월에 걸쳐 가공 실험을 하여 가공 조건표를 작성할 수밖에 없다. 이와 같은 낭비는 방전가공 현상이 너무 복잡하여 단순한 모델로 표현할 수 없기 때문이다. 그러나 최근의 기초 연구 성과와 컴퓨터의 발달에 동반하여 복잡한 가공 현상을 정확하게 시 뮬레이션할 수 있게 되었다. 아직 복잡한 현상을 시뮬레이션 하는 데는 근사가 많고 계산 시간도 길게 소요되지만, 착실 하게 연구를 진행시켜 가면 앞으로 반드시 실용적이 될 것이 라고 생각한다.

 

극간 현상의 해명과 가공 시뮬레이션

절연액 중에서 전극과 공작물을 일정한 극간으로 유지하 면서 펄스 전압을 인가하여 가공이 진행되는 방전가공에서 는 단간극, 단시간의 현상 때문에 직접 극간의 모양을 관찰 하는 것은 어렵다. 보통은 방전 중의 전류·전압 파형의 모 니터링으로부터 극간 상태를 추정하는 것이 이루어진다. 그 러나 지금까지 얻은 가공 결과를 데이터베이스로 하여 극간 상태를 추정하는 시뮬레이션, 혹은 와이어 방전가공에서의 가공액 흐름을 재현하는 시뮬레이션 등이 검토되어 그 해석 결과가 보고되어 있다. 특히 전자의 경우, 가공칩 농도, 갭 길이, 가공 면적, 가공칩 지름이 방전 지연에 미치는 영향을 라우에 플롯법을 이용하여 정량화하여 시뮬레이션의 데이터 베이스로 하고 있다. 이 방법에 의해 평균 극간 전압에 의한 서보 이송을 포함한 극간 현상의 추정이 가능해지고, 앞으로 가공기 서보계의 시뮬레이터와 통합함으로써 형조 방전가공 에서의 실제 가공 시뮬레이션의 실현이 기대된다.

극간 현상의 관찰에서는 전극이나 공작물의 형상을 고안 하여 고속도 비디오카메라를 이용함으로써 직접 관찰한 보 고가 이루어지고 있다. 하나는 세선 전극을 이용한 평판 공 작물에 대한 단발 방전 중의 기포 거동의 관찰이고, 전기 조 건을 변화시켜 공작물 측에 생성되는 방전 흔적 제거량과 기 포 거동의 관계나 근방에 제2 펄스의 방전을 발생시켰을 때 의 기포 거동과 제거량의 관계로부터 제거 과정을 추정하고 있다. 혹은 동일하게 세선 전극을 이용하고 있지만 투명 아 크릴판에 매립함으로써 단간극의 극간을 재현하여 보다 현 실에 근접시킨 기포 거동과 재료 제거 과정에 대해서 보고되 어 있다.

모두 방전 자체는 세선 전극 대 평판 공작물 간에서 발생 하고 있지만, 재료 제거 과정에 큰 영향을 준다고 생각되고 있는 기포 거동에 주목하고 있다는 점에서 공통하고 있다. 이들을 활용하여 실제 가공의 극간 현상을 추측하는 것이 가 능해지고, 가공 정도의 향상과 가공 속도의 증대에 도움이 될 수 있기를 기대한다.

 

전해가공의 동향

방전가공과 용도가 거의 동일한 전해가공에 대해서 조금 다루어 본다.

방전가공과 동일하게 도전성이 있으면 재료의 경도에 의 존하지 않고 가공이 가능하지만, 가공 원리는 화학적이고 열 적 방전가공과 전혀 다르다. 따라서 가공액이나 극성이 방전 가공과는 다르고, 가공 전원은 직류라도 상관없다. 또한 가 공 속도가 빠르고 가공 변질층이 생기지 않으며, 공구 전극 의 소모가 없는 우수한 특징을 가지고 있다. 그러나 방전가 공에서는 가공 간극이 비교적 좁고 간극이 일단 확대되면 방 전은 생기지 않게 되지만, 전해가공에서는 간극이 확대되어 도 다소의 전류는 흐른다.

따라서 진직 구멍가공을 의도해도 구멍의 입구는 공구 전 극의 측면과 장시간 계속 대치하고 있으므로 갭이 확대되어 테이퍼가 되기 쉽다. 또한 육가크롬 등의 유해한 중금속 이 온의 처리에 비용이 든다. 따라서 고정도 금형가공 등에는 방전가공이 오로지 사용되어 왔다. 그러나 항공우주 산업이 나 의료재료 분야가 활발한 유럽과 미국에서는 부품가공에 전해가공을 사용하는 예가 많고, 최근 들어 펄스를 이용함으 로써 고정도 전해가공이 가능해짐에 따라 전해가공을 재평 가하는 움직임이 나타나고 있다.

 

 

이미 성숙기에 접어든 방전가공 기술이지만, 초창기 때와 같이 가공 현상의 정확한 이해에 근거한 새로운 혁신이 필요 할 때이다. 방전가공이 그 특수성을 활용하여 다른 가공법과 의 차별화를 도모하는 동시에 방전가공만의 새로운 영역을 구축해 가기를 기대한다.